壁電流探測器在中國散裂中子源快循環同步加速器調束中的應用

安宇文，李 芳，李明濤，許守彥

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803)

中國散裂中子源(CSNS)裝置是國家布局在廣東的大科學裝置[1]，于2018年8月通過國家驗收，現已向世界不同需求的用戶開放。散裂中子源將為不同學科的基礎研究及高新技術發展提供一個強大的研究平臺，如材料科學與技術、物理學、生命科學、化學、環境科學及新能源應用等。

壁電流探測器(WCM)是一種可用于觀測束流強度信息的設備[2-4]。對于CSNS，快循環同步加速器(RCS)安裝了兩臺WCM。RCS是CSNS的重要組成部分，負氫離子束經過RFQ加速器加速到3 MeV，經過DTL加速器加速到80 MeV，束流通過負氫剝離注入的方法注入RCS，加速并累積至1.6 GeV后通過8臺脈沖磁鐵Kicker引出打靶。RCS的周長為227.92 m，束流的重復頻率為25 Hz[5-6]。本文分析WCM的數據以得到縱向工作點、束流的實際振蕩頻率、束團的電荷量、束團的形狀變化等信息，并對參數測量中的測量誤差進行分析。

1 縱向工作點的測量

圖1 2018年7月19日采集的WCM數據Fig.1 WCM data taken on July 19th, 2018

圖2為縱向工作點理論設計值[11]與WCM實測值的比較。從圖2可看出，縱向工作點理論設計值與實測值較接近。在5 ms處與11 ms處理論值與實測值差別較大，這是因為5 ms處與11 ms處WCM測量得到的峰不清晰，兩個束團的峰有干擾，且WCM測量得到的峰也偏離高斯分布。通過安裝在RCS的束流損失探頭(BLM)[12-13]也能清楚觀測到1個循環周期內5 ms處有束流損失。

圖2 縱向工作點理論設計值與WCM實測值的比較Fig.2 Comparison of synchrotron tunes between design value and measurement value from WCM

2 束團電荷量的測量

圖3 開發的基于MATLAB GUI的RCS傳輸效率計算程序Fig.3 Program developed based on MATLAB GUI to calculate RCS transmission efficiency

對WCM采集得到的束團形貌進行積分可得到束團的粒子數或電荷量。比較束團電荷量在1個周期的變化，可得到束流損失情況及通過率等。在調束過程中，開發了基于MATLAB GUI的傳輸效率計算程序，程序的主要步驟程序如圖3所示。首先，通過FTP同步存放在NFS服務器的WCM的文本文件。程序載入文本文件后，仔細檢查整個程序分析過程是否正確。對于WCM數據，檢查直流偏置量是否對應1個周期內高頻變化的頻率，檢查由奇數號束團與偶數號束團測量得到的頻率是否與高頻頻率對應。圖3a為WCM直流偏置，圖3b為偶數號束團測量得到的束團振蕩頻率，圖3c為奇數號束團測量得到的束團振蕩頻率，圖3d為1個高頻周期內的束團電荷量的變化及計算得到的RCS環束流通過率，約為97%。機器運行期間，RCS通過率一般由布置在環靶輸運線以及RCS上的電流轉換器(CT)計算得到，不同CT的誤差小于1%。通過WCM計算得到的RCS通過率小于由CT計算得到的RCS通過率，可能是由于計算WCM粒子數時采用的積分區間引起的。

3 束團形貌變化

束流在RCS環振蕩的頻率約0.51～1.2 MHz，WCM的采樣頻率為100 MHz，對于WCM束流診斷，低電平控制系統產生時鐘信號。利用時鐘信號作參考，將WCM采集得到的信息作山形圖，如圖4所示。山形圖不僅能反映束團的尺寸信息，更反映束流中心粒子偏離參考同步粒子的相位。從圖4可看出，束流縱向振蕩較小，表示RCS二極磁鐵與高頻頻率較匹配。

圖4 RCS束團山形圖Fig.4 Mountain plot of RCS bunch

4 總結與展望

壁電流探測器在RCS調束中廣泛應用，本文開發了基于MATLAB GUI的程序，可用于準確測量縱向振蕩周期、RCS傳輸效率，并可用于判斷二極磁鐵與高頻腔頻率的匹配程度。

隨著CSNS功率的升級，空間電荷效應越來越明顯，計劃通過WCM測量束團填充因子并有效控制發射度增長，以及通過WCM的投影數據擬合得到能量分散以及縱向發射度。

感謝CSNS徐韜光、孫紀磊等在WCM取數以及數據分析過程中給予的幫助與建議。